新建隧道施工對既有運營隧道的力學影響分析

葉建龍，宋 洋，丁海洋

（1.浙江省交通規劃設計研究院，浙江杭州310058；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

新建隧道施工對既有運營隧道的力學影響分析

葉建龍*1，宋 洋2，丁海洋1

（1.浙江省交通規劃設計研究院，浙江杭州310058；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031）

以杭金衢高速公路新嶺隧道為工程背景，通過對新建隧道對既有運營隧道在靜力開挖條件下的受力和變形分析可知，隨著新建隧道與既有隧道之間的凈距增大，新建隧道開挖對既有隧道的影響逐漸減小，當凈距超過20m時，新建隧道的開挖引起襯砌位移、受力變化相對較小，既有隧道結構處于安全狀態。據此判別杭金衢高速公路新嶺隧道凈距設計是科學合理的。

新建隧道；既有隧道；凈距；影響

1 概述

在現代公路、鐵路工程的隧道建設中，分離式隧道因力學機理簡單明確、施工技術十分成熟得到了廣泛的應用。公路隧道設計規范(JTG-D70-2004)中規定了分離式隧道的最小凈距，一般情況可按表1確定[1]。

表1 分離式獨立雙洞間的最小間距

然而，隨著人類對地下空間的不斷利用,在某些地區,由于復線工程的建設或受既有建(構)筑物、地質條件的限制及地下空間綜合開發利用的需要,使得新建隧道近接既有隧道的現象越來越多[2-4]。

目前為止，針對兩平行隧道合理間距的相關理論與設計施工中關鍵技術問題的研究成果并不統一[5]，理論支撐和研究成果的運用較為滯后，導致設計理論滯后于工程實踐的被動局面，突顯了針對小凈距隧道合理凈距進行研究的重要性和緊迫性。由于小凈距隧道合理凈距受到眾多因素的影響，采用解析方法分析是十分困難的，采用數值計算方法則可以較有針對性地解決上述問題[6-7]。基于此，本文通過數值仿真手段，研究不同圍巖、不同凈距情況下，新建隧道對既有隧道襯砌位移和內力的影響規律，以期為合理凈距的確定提供參考。

2 工程背景

杭金衢高速公路是滬昆高速浙江境內的重要路段，新嶺隧道路段拓寬工程為整個杭金衢高速公路拓寬工程的一部分，也是目前交通擁堵最為嚴重的一段。

既有新嶺隧道采用雙向四車道的標準設計，左洞長1413m，右洞長1432.5m，單洞行車道寬度2×3.75m，單個隧道寬度10.75m，凈高5.0m，隧道軸線走向160°，最大埋深156m，設計行車速度120km/h。

新建隧道寬度17.58m，凈高7.2m。隧道左側進洞口距離原左側隧道最近距離27.29m，出洞口距離原左側隧道最近距離35.62m；新建隧道右側進洞口距離原右側隧道最近距離23.08m，新建隧道右側出洞口距離原右側隧道最近距離28.16m，新建隧道洞身段距既有隧道41m。

隧道工程穿過大平崗—馬樓嶺山脈，地形起伏較大，丘陵區頂部高程約273.3m，植被茂盛。隧道圍巖以寒武系炭質頁巖、泥質灰巖、震旦系粉砂巖地層為主，巖體理節裂隙發育，較破碎，質較堅硬—堅硬。

由于新建隧道與既有隧道凈距變化且既有隧道運營時間較長，結構強度有所減弱，為了確保既有隧道的安全運營，有必要研究新建隧道開挖對既有隧道襯砌的影響特征，以確定新建隧道與既有隧道的合理凈距等關鍵性指標。

3 有限元計算

3.1 計算方案

本次計算采用大型通用有限元程序ANSYS進行，圍巖采用實體單元（plane42）模擬，二次襯砌采用梁單元（beam3）模擬。計算模型中隧道埋深35m，模型左邊界距既有隧道中線40m，右邊界距新建隧道中線40m，下邊界距隧道底部32m。模型上部為碎石粉質粘土，厚度為10m，中間部分為強風化粉砂巖，厚度為15m，下部為中風化粉砂巖，厚度為55m。模型位移邊界條件為上邊界為自由邊界，其余邊界為人工邊界；模型力邊界條件為自重應力。計算模型簡圖如圖1所示。

圖1 計算模型示意圖

計算中材料參數的選取是在重點參考新嶺既有運營隧道及新建隧道地勘資料的基礎上，結合《公路隧道設計規范》綜合選取（表2），需要說明的是,圍巖加固區根據《公路隧道設計規范》對部分圍巖參數進行了適當提高。

表2 計算中材料參數的選取

在計算過程中，采用多點重啟動和生死單元依次對地應力場形成、既有隧道開挖、新隧道開挖進行模擬，有限元模型節點位移的計算則采用完全的牛頓—拉普森解法。

3.2 測點布置

為了研究不同圍巖、不同凈距情況下，新建隧道對既有隧道襯砌位移和內力的影響，采用3種凈距（10m、20m、30m）和3種圍巖等級（Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級）向正交的計算方案，共計算9種情況。分別對新隧道開挖過程中既有隧道襯砌的位移和內力進行監控。位移監控8個點，內力監控3個點。測點布置如圖2、圖3所示。

圖2 位移監控測點布置

3.3 圍巖級別的影響

當新建隧道與既有隧道凈距一定時，在不同的圍巖級別條件下，新隧道的開挖對既有隧道襯砌的影響是不同的，這說明在近接問題中，圍巖級別是重要影響因素。

在凈距為10m的情況下，計算結果包括既有隧道襯砌的水平位移、豎直位移、彎矩變化值和軸力變化值。見圖4～圖7。

圖3 內力監控測點布置

圖4 凈距10m既有隧道襯砌的水平位移

圖5 凈距10m既有隧道襯砌的豎直位移

圖6 凈距10m既有隧道襯砌的彎矩變化

圖7 凈距10m既有隧道襯砌的軸力變化

圖4中顯示，在既有隧道右側的新隧道開挖將導致其向左側（遠離新隧道的方向）位移；位移量隨圍巖的劣化呈增大趨勢，但并非簡單的線性關系。例如測點3（右拱腰）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖時的水平位移分別為：0.31mm、0.44mm、0.72mm。水平位移還與測點的位置有關，右邊測點（離新隧道較近）在每級圍巖下的位移都明顯大于左邊測點（離新隧道較遠）位移。例如測點2（右拱肩）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖時的水平位移分別為：0.23mm、0.33mm、0.54mm，而測點8（左拱肩）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖時的水平位移分別為：0.07mm、0.15mm、0.33mm。

圖5中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導致其向下沉降，且沉降不均勻；沉降量隨圍巖的劣化呈增大趨勢，但并非簡單的線性關系。例如測點1（拱頂）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖時的沉降分別為：0.24mm、0.52mm、1.06mm。沉降還與測點的位置有關，右邊測點（離新隧道較近）在每級圍巖下的沉降都明顯大于左邊測點（離新隧道較遠）沉降。例如測點4（右拱腳）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖時的水平位移分別為：0.33mm、0.63mm、1.21mm，而測點6（左拱腳）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖時的水平位移分別為：0.13mm、0.30mm、0.66mm。

圖6中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導致其二次襯砌彎矩發生變化，發生何種變化則與圍巖的等級有關，例如Ⅲ級圍巖中，3個測點的彎矩均變小；Ⅳ級圍巖中，測點1（拱頂）和測點2（右拱腰）的彎矩變小，而測點3（左拱腰）的彎矩變大；Ⅴ級圍巖中，只有測點2（右拱腰）的彎矩變小，而測點1（拱頂）和測點3（左拱腰）的彎矩都變大。并且隨著圍巖的劣化，彎矩的變化會越來越明顯。這是因為，圍巖較好（Ⅲ級圍巖）的情況下，新隧道開挖引起的應力重分布范圍較小，且圍巖剛度大，能分擔更多荷載，所以既有隧道二次襯砌的彎矩只在離新隧道很近的測點2（右拱腰）有較大變化；反過來圍巖較差（Ⅴ級圍巖）的情況下，新隧道開挖引起的應力重分布范圍較大，且圍巖剛度小，只能分擔較少荷載，所以既有隧道二次襯砌的彎矩在3個測點都有較大變化。

圖7中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導致其二次襯砌軸力變大。并且隨著圍巖的劣化，軸力的增大會越來越明顯。例如測點1（拱頂）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖時的軸力增加值分別為：185kN、223kN、274kN。

在凈距為20m、30m的情況下，也有相類似的規律。

3.4 凈距的影響

當圍巖級別條件一定時，在不同的凈距下，新隧道的開挖對既有隧道襯砌的影響是不同的，這說明在近接問題中，凈距是重要影響因素。

在Ⅴ級圍巖的情況下，計算結果包括既有隧道襯砌的水平位移、豎直位移、彎矩變化值和軸力變化值。見圖8～圖11。

圖8 V級圍巖既有隧道襯砌的水平位移

圖9 V級圍巖既有隧道襯砌的豎直位移

圖10 V級圍巖既有隧道襯砌的彎矩變化

圖11 V級圍巖既有隧道襯砌的軸力變化

圖8中顯示，在既有隧道右側的新隧道開挖將導致其向左側（遠離新隧道的方向）位移；位移量隨凈距的增大呈減小趨勢，但并非簡單的線性關系。例如測點3（右拱腰）在凈距為10m、20m、30m時的水平位移分別為：0.72mm、0.42mm、0.23mm。水平位移還與測點的位置有關，右邊測點（離新隧道較近）在每種凈距下的位移都明顯大于左邊測點（離新隧道較遠）位移。例如測點2（右拱肩）在凈距為10m、20m、30m時的水平位移分別為：0.54mm、0.32mm、0.16mm，而測點8（左拱肩）在凈距為10m、20m、30m時的水平位移分別為：0.33mm、0.17mm、0.06mm。

圖9中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導致其向下沉降，且沉降不均勻；沉降量隨凈距的增大呈減小趨勢，但并非簡單的線性關系。例如測點1（拱頂）在凈距為10m、20m、30m時的沉降分別為：1.06mm、0.53mm、0.28mm。沉降還與測點的位置有關，右邊測點（離新隧道較近）在每級圍巖下的沉降都明顯大于左邊測點（離新隧道較遠）沉降。例如測點4（右拱腳）在凈距為10m、20m、30m時的水平位移分別為：1.21mm、0.76mm、0.47mm，而測點6（左拱腳）在凈距為10m、20m、30m時的水平位移分別為：0.66mm、0.38mm、0.22mm。

圖10中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導致其二次襯砌彎矩發生變化，發生何種變化則與凈距有關，例如凈距為20m、30m時，3個測點的彎矩均變小；凈距為10m時，測點1（拱頂）和測點3（左拱腰）的彎矩變大，而測點2（右拱腰）的彎矩變小。并且隨著凈距的增大，彎矩的變化會越來越小。

圖11中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導致其二次襯砌軸力變大。隨著凈距的增大，軸力的變化也會越來越小。例如測點1（拱頂）在凈距為10m、20m、30m時的軸力增加值分別為：274kN、145kN、77kN。

在Ⅲ、Ⅳ級圍巖的情況下，也有相類似的規律。

4 結論 通過以上的分析，可以得出如下結論：

在隧道近接問題中，圍巖等級和凈距是重要因素；圍巖越差，新建隧道對既有隧道的影響越大；凈距越小，新建隧道對既有隧道的影響越大。綜合不同圍巖級別、不同凈距條件下新建隧道開挖對既有隧道的影響可以看出，當凈距超過20m時，新建隧道的開挖引起襯砌位移、受力變化相對較小，既有隧道結構處于安全狀態。據此判別杭金衢高速公路新嶺隧道凈距設計是科學合理的。

[1]潘昌實.隧道力學數值方法[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[2]關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]汪波，吳德興.弁山隧道不同加固方案下的力學行為研究[J].鐵道建筑，2007(1)：43-47.

[4]公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]姚勇,何川.并設小凈距隧道爆破振動響應分析及控爆措施研究[J].巖土力學，2009(9)：2815-2822.

[6]張永興,胡居義,何青云,等.基于強度折減法小凈距隧道合理凈距的研究[J].水文地質工程地質,2006(3):64-67.

[7]張向東,林增華,萬明富.基于ANSYS確定小凈距隧道合理凈距的數值模擬[J].北方交通,2008(9):81-83.

U45

A

1004-5716(2015)11-0165-05

2014-11-04

2014-11-06

浙江省交通廳科技項目（2012H10）。

葉建龍（1974-），男（漢族），浙江樂清人，教授級高級工程師，現從事公路工程方面的設計、管理及研究工作。